地震预测_回顾与展望_陈运泰

中国科学 D 辑:地球科学 2009年 第39卷 第12期: 1633 ~ 1658 《中国科学》杂志社SCIENCE IN CHINA PRESS地震预测: 回顾与展望陈运泰①②*① 北京大学地球与空间科学学院, 北京大学-中国地震局现代地震科学技术研究中心, 北京 100871; ②中国地震局地球物理研究所, 北京 100081 * E-mail: chenyt@收稿日期: 2009-08-21; 接受日期: 2009-09-30地震行业科研专项“首都圈地壳孕震层动态监测研究”(批准号: 200808068)资助摘要 本文概要回顾自20世纪60年代以来国际地震预测研究与地震预报实践的进展情况, 指出地震预测这一既紧迫要求予以回答、又需要通过长期探索方能解决的地球科学难题目前尚处于初期的科学探索阶段, 虽然总体水平仍然不高, 特别是短期与临震预测的水平与社会需求相距甚远, 但是近半个世纪以来并非毫无进展. 文中以板块边界大“地震空区”的确认、“应力影区”、地震活动性图像、图像识别等方法以及美国帕克菲尔德(Parkfield)的地震预报实践为例, 说明在中期与长期地震预测方面, 地震预测研究均取得了一些有意义的进展. 文中分析了地震预测在科学上面临的困难, 阐述了为解决这些困难所应当采取的科学途径, 展望了地震预测的前景, 指出地震预测的进展主要受到地球内部的“不可入性”、大地震的“非频发性”以及地震物理过程的复杂性等困难的制约; 地震预测虽然困难, 但并不是不可能的；依靠科技进步, 强化对地震及其前兆的观测, 选准地点、开展并坚持以地震预测试验场为重要方式的地震预测科学试验, 坚持不懈地、系统地进行基础性的对地球内部及对地震震源区的观测、探测与研究, 对实现地震预测的前景是可以审慎地乐观的.关键词地震预测 地震预报 地震前兆 地球内部 地震震源地震是一种会给人类社会带来巨大灾难的自然现象. 在众多的自然灾害中, 特别是在造成人员伤亡方面, 全球地震灾害造成的死亡人数占全球各类自然灾害造成的死亡人数总数的54%, 堪称群灾之首. 在20世纪(1900~1999年), 全球有高达180多万人被地震夺去了生命, 平均一年约 1.8万余人死于地震, 经济损失达数千亿美元[1~5]. 进入新世纪以来, 地震灾害不断, 似乎还有愈演愈烈之势. 2001年印度古杰拉特 (Gujarat)地震(矩震级M W 7.6)造成了3.5万人死亡、6.7万人受伤、60万人无家可归和约100多亿美元的经济损失. 2003年12月26日伊朗巴姆(Bam)地震只有M W 6.6级(面波震级M S 6.8), 却造成了3.1万人死亡、3.0万人受伤, 使具有千年历史的巴姆古城毁于一旦. 2005年10月8日巴基斯坦地震(M W 7.6), 造成了8.6万人死亡、1万余人受伤、9千余人失踪, 数百万人无家可归. 在2004年12月26日发生的印尼苏门达腊-安达曼(Sumatra-Andaman)特大地震(M W 9.1)及其引发的印度洋特大海啸更使约28.3万人死亡与失踪, 令全世界为之震惊! 迄今仍余震不断, 继续危及生灵. 2008年5月12日我国汶川M W 7.8(M S 8.0)地震, 造成了8.7万人死亡与失踪, 迄今不但余震不断, 而且滑坡和泥石流等次生灾害亦时有发生.陈运泰: 地震预测1634 作为一种自然现象, 地震最引人注目的特点是它的猝不及防的突发性与巨大的破坏力. 关于这一点, 中外古人根据经验均已有深刻的认识. 早在2000多年前, 在《诗经·小雅·七月之交》中就有关于地震的突发性及其巨大的破坏力的生动描述[6]:烨烨震电, 不宁不令.百川沸腾, 山冢崒崩.高岸为谷, 深谷为陵.哀今之人, 胡憯莫惩?!“不宁”指地不宁, 即地动; “不令”是不预先通告给人们周知, 突如其来[7]. 诗中惊叹地震突如其来, 势如闪电, 声如雷鸣, 其力足以令山川变易. 译成白话文, 就是(参阅周锡韦复[8]):耀眼的雷霆闪电,地震突如其来.无数江河在沸腾,山峰碎裂崩塌.高耸的崖岸陷落为山谷,深邃的山谷隆升为丘陵.可怜今天的人啊,为何竟不知自省?!1835年2月20日15时30分UTC(协调世界时), 在智利康塞普西翁(Concepción)-瓦尔帕莱索 (Valpa-raiso)发生了一次M S8.1地震, 震中位置36.0°S, 73.0°W. 地震毁灭了康塞普西翁城. 1835年3月5日, 伟大的博物学家、进化论的创始人达尔文(Darwin C., 1809~1882)在他著名的贝格尔 (H. M. S. Beagle) 号环球旅行途中到达了康塞普西翁, 经历了这次大地震的多次余震. 达尔文以进化论的创始人闻名于世, 但可能鲜为人知的是他也是现在称为地震地质学(earthquake geology)的一位创始人和先驱者. 康塞普西翁-瓦尔帕莱索大地震破坏的惨烈景象给予达尔文强烈的震撼, 他写道[9]:“通常在几百年才能完成的变迁, 在这里只用了一分钟. 如此巨大场面所引起的惊愕情绪, 似乎还超过了对于受灾居民的同情心.”通过地质调查已经知道, 地球在整个地质时期都发生过地震. 相传在帝舜时期(约公元前23世纪) “三苗欲灭时, 地震泉涌”; 夏帝发七年(约公元前1831年) “泰山震”[10]. 在《史记·周本纪》中, 就有关于地震的历史记载[10]: “周幽王二年(公元前780年), 西周三川(泾水、渭水、洛水)皆震, ……, 是岁也, 三川竭, 歧山崩”.正如日食、月食和彗星等天象一样, 地震曾被中外古人归于超自然的原因, 被当作是上天的惩诫. 甚至到了公元1750年, 还有人在英国《伦敦皇家学会哲学丛刊》(Phil. Trans. Roy. Soc. London)上发表文章, 认为把地震归于自然成因的人应当向那些因此被冒犯的人道歉[11]! 也和古人从来没有放弃过对日食、月食、彗星等天象的“天意”的“窥测”的努力一样, 数千年来, 古人对地震的成因及其预测的探索从来没有停止过. 只是由于地质学严重缺乏物理学原理的解释, 对地质构造运动与地震关系的认识长期裹足不前. 直到18世纪牛顿《自然哲学的数学原理》出版, 牛顿力学问世, 才为包括地震在内的地球上的所有运动的统一解释提供了物理基础. 在牛顿力学的影响下, 地震学逐渐发展成为一门现代的科学. 到了19世纪70年代后期, 现代地震仪研制成功, 地震学步入了一个新的时代[12,13].无情的大地震激发了人们对地震的成因及其预测的探索. 自19世纪70年代后期现代地震学创立以来的130余年里, 地震预测一直是地震学研究的主要问题之一, 多少地震学家莫不苦思预测地震、预防与减轻地震灾害的方法(例如, Milne[14]). 特别是自20世纪50年代中期以来, 作为一个非常具有现实意义的科学问题, 地震预测一直是世界各国政府和地震学家深切关注的焦点之一[3,15~22].地震预测是公认的世界性的科学难题, 是地球科学的一个宏伟的科学研究目标. 如能同时准确地预测出未来大地震的地点、时间和强度, 无疑可以拯救数以万计乃至数十万计生活在地震危险区人民的生命; 并且, 如果能预先采取恰当的防范措施, 就有可能最大限度地减轻地震对建筑物等设施的破坏, 减少地震造成的经济损失, 保障社会的稳定和促进社会的和谐发展[23~27].通过世界各国地震学家长期不懈的努力, 地震预测、特别是中长期地震预测取得了一些有意义的进展. 但是地震预测是极具挑战性尚待解决的世界性的科学难题之一, 目前尚处于初期的科学探索阶段, 总体水平仍然不高, 特别是短期与临震预测的水平中国科学 D 辑: 地球科学 2009年 第39卷 第12期1635与社会需求相距甚远.本文是在作者有关地震预测的几篇文章[23~27]的基础上汇编增删写成的, 意在向关注这一问题的广大读者简明地评介国际地震预测研究进展情况, 分析地震预测在科学上遇到的困难, 阐述解决这些困难应采取的科学途径, 展望地震预测的前景.1 地震预测研究进展1.1 预测与预报地震预测（prediction ）或预报(forecast)不是指像“在某地最近要发生大地震”这类含糊的“预测”、“预报”或说法. 不同时指明地震发生的地点、时间和大小(简称为地震 “三要素”)并对其区间加以明确界定的“预测”、“预报”, 几乎没有什么意义. 此外, 还须要用发震概率来表示预测的可信程度. 所以, 地震学家把地震预测定义为“同时给出未来地震的位置、大小、时间和概率4种参数, 每种参数的误差(不确定的范围)小于、等于下列数值[28]:位置: ±破裂长度;大小: ±0.5破裂长度或震级±0.5级; 时间: ±20%地震复发时间;概率: 预测正确次数/(预测正确次数+预测失误次数).地震预测通常分为长期(10年以上)、中期(1~10年)、短期(1日至数百日及1日以下)[29]. 有时还将短期预测细分为短期(10日至数100日)和临震(1~10日及1日以下)预测. 长、中、短、临地震预测的划分主要是根据(客观)需要、但却是人为(主观)地划分的, 并不具有物理基础, 界线既不是很明确, 也并不完全统一. 在我国, 以数年至10年、20年为长期; 1年至数年为中期; 数月为短期; 数日至十几日为临震[30]. 在国外, 也有以数年至数10年为长期、数周至数年为中期、数周以下为短期的[31~33]. 实际上, 许多地震预测方法所用的地震前兆涉及的时间尺度并不正好落在上述划分法规定的范围内, 而是跨越了上述划分法规定的界线. 在公众的语言中, 甚而在专业人士中, 对“地震预测”和“地震预报”通常不加区分, 并且通常指的就是这里所说的“地震短、临预测”. 在国际上(例如Wyss [28]), 一些地震学家把不符合上述定义的“预测”、“预报”等等称作“预报”, 亦称概率性(地震) 预报, 而把符合上述定义的“预测”称作“确定性的(地震)预测”. 例如对在一段长时期内的某一不确定的时间发生某一震级范围地震的概率做出估计就属于这种类型的“预测”——按这种说法便应当叫做“预报”. 预测美国加州中部帕克菲尔德(Parkfield)在(1988±4.3)年间会有一次6级地震[34~36], 按这种说法也是一种“预报”. 若照这种说法, “长期预测”和“中期预测”便应当称作“长期预报”和“中期预报”. 在我国, 习惯于把科学家和研究单位对未来地震发生的地点、时间和大小所做的相关研究的结果称作“地震预测”, 而把由政府主管部门依法发布的有关未来地震的警报称作“地震预报”. 地震长期预测(长期预报)通常只涉及在正常情况下地震发生的概率. 这种“预测”并非是广大公众最为关注的、能有足够的时间采取紧急防灾措施(如让居民有足够时间撤离到安全地带等等)的“地震短、临预报”. 即使如此, 这种“预测”对于地震危险性评估、地震灾害预测预防、抗震规范制定、地震保险、等等, 也是十分有用的. 为避免混淆起见, 除非特别说明, 本文采用我国的习惯说法. 在评估地震预测(地震是真报对了还是碰运气“撞上”的？)时, “目标震级”的大小是很重要的. 理由很简单: 因为小地震要比大地震多得多(一般地说, 在某一地区某一时间段内, 某一震级地震的数目是震级比它大1级地震的数目的8~10倍)、因而更容易碰巧报对！在给定的地区和给定的时间段内要靠碰运气报对一个M W 6.0的地震并非易事, 而靠碰运气“对应上”(“撞上”)一个M W 5.0的地震的“预测”还是很有可能的.从更广泛的意义讲, 从预防和减轻地震灾害的目标考虑, 地震预测还应包括对地震发生时指定地点的地面运动强烈程度的预测. 强(烈)地面运动(地震工程学家亦称之为强地震动)的预测是地震学与工程学交叉的重要学科领域, 近30多年来发展很快; 限于篇幅, 本文暂不涉及这一重要问题.1.2 地震长期预测 1.2.1 地震空区在地震长期预测方面, 最突出的进展是板块边界大地震空区的确认. 在环太平洋地震带, 几乎所有的大地震都发生在利用“地震空区”方法预先确定的陈运泰: 地震预测1636空区内[37~41]. 在我国, 板内(板块内部)地震空区的识别也有一些成功的震例[30,42,43].地震是地下岩石中的“应变缓慢积累-快速释放”的过程[44,45]. 对地震过程的这一认识是“地震空区”方法的物理基础. 基于这一认识可以推知: 在指定的一段断层上, 将会准周期性地发生具有特征大小与平均复发时间的地震. 这种地震称作“特征地震”(日本地震学家称之为“固有地震”). 特征地震的大小(震级)既可以由在该段断层上已发生过的特征地震的震级予以估计, 也可以根据该段断层的长度或面积予以估计. 特征地震的平均复发时间既可以由相继发生的两次特征地震的时间间隔予以估计, 也可以由地震的平均滑动量除以断层的长期滑动速率予以估计. “地震空区”指的是在时间上已超过了平均复发时间、但仍未以特征地震的方式破裂过的一段断层. 1906年, 地震预测的先驱者、国际著名的日本地震学家今村明恒(Imamura A.)在他所写的一篇论文中曾确认东京近海的相模湾(Sagami Bay)为地震空区, 成功地预报了1923年M S 8.2日本关东(Kanto)大地震(亦称东京大地震). 今村明恒还曾经成功地预报了1944~1946年日本南海道(Nankaido)大地震[40,46]. 苏联的费道托夫(Федотов С. А.)是第一位用现代地震科学原理阐明地震空区概念的地震学家[47]. 他研究了1904~1963年间沿日本-千岛群岛-堪察加岛弧一带M S ≥震震源区的空间分布, 发现这些大地震的震源区基本上是连续分布的. 他认为大地震震源区之间的空隙区便是未来最可能发生大地震的地区即“地震空区”. 费道托夫在1965年发表的论文[47]的一幅地图中指出了未来可能发生大地震的地区; 他的预测很快就在3个地方得到验证, 即1968年5月16日日本十胜-隐歧(Tokachi-Oki)M W 8.3地震, 1969年8月11日南千岛群岛M W 8.2地震以及1971年12月15日堪察加中部M W 7.8地震.20世纪60年代板块大地构造学说的确立为根据板块边界的地形变与历史地震活动性“收支”平衡情况估算在地质年代里板块边界的地形变速率提供了精确的运动学参考框架. Sykes 等[37~41]将1957, 1964 和1965年发生于阿留申海沟的3次地震的滑动量除以北美板块与太平洋板块之间的相对运动速率, 得出在发生这3次地震的3段断层上地震的平均复发时间都大约为100年. 他们运用海底磁异常条带资料以及经过准确定年的地磁场反向时间表等全球性的地球物理观测资料, 在1973和1979年得出了近期可能会发生大地震的有关板块的边界段的预报结果[48,49]. 后来, 他们又出版了经改进后的预报结果[41].每条断层或断层的每段的表现都是不同的[50]. 按照特征地震的概念, 对于特定的一段断层, 断层上的滑动量主要是通过具有类似的震级、破裂面积和平均滑动量的特征地震释放出来的. 这样一来, 相对于比它大的和比它小的地震, 特征地震必定比按古登堡(Gutenberg B., 1889~1960)-里克特(Richter C. F., 1900~1985)定律(关系式)预期的多得多[51,52], 可是这与迄今在所有的地区几乎都观测到地震服从古登堡-里克特定律所表示的分布相矛盾. 对此, Wesnousky 等[53~55]解释说, 由于断层段服从幂律分布, 所以在一个地区的地震还是按古登堡-里克特定律分布的.特征地震的概念对于地震物理学与地震灾害评估有着重要的意义. 在地震灾害的评估中, 特征地震的平均复发时间是一个很重要的物理量. 因为上一个特征地震的发震时间好比是一只“地震钟”的“零时”. 从这个“零时”开始, 与这个特征地震类似的下一个特征地震的发生概率即可予以估计. 但是, 对于按古登堡-里克特定律分布的地震来说, 就不能用“地震钟”这样一种简单方法来估算下一个地震发生的概率, 因为对于任何一个震级的地震来说, 便应当有许多个震级比它略小、但其特征并无不同的地震. 不过, 以目前实际震例的观测资料的状况, 特征地震的频度应当比按古登堡-里克特定律分布的地震的频度高, 以及特征地震的震级这两个特征也很难用实际震例的资料予以检验.作为地震长期预测的一种方法, 特征地震方法取得了一定程度的成功. 用这个方法预测大地震原理很直观, 看上去很简单, 做起来似乎也很容易. 但是要把它推广应用仍有一定的困难, 因为不易确定特征地震的震级并且缺少估计复发时间所需的完整的地震记录资料. 此外, 由于地震过程内禀的不规则性以及地震的发生具有“空间-时间群聚”的趋势, 所以在实际应用地震空区假说同时预测特征地震的震级与发震时间时仍有困难. 地下岩石中的“应变缓慢中国科学 D 辑: 地球科学 2009年 第39卷 第12期1637积累-快速释放”的概念意味着在指定的一段断层上错动将周期性地发生, 这个结果是基于依次发生的地震的应力降和两次地震间应力积累的速率两者都是常量的假定(图1(a)). 但是, 在实验室内做的岩石粘-滑实验表明两次地震事件之间的时间间隔是变化的, 应力降是不完全、不规则的, “初始应力”(震前应力)和“最终应力”(震后应力)都是不均匀的. 如果初始应力σ2均匀但最终应力σ1不均匀, 从而应力降(σ2－σ1)不均匀, 那么只有地震发生的时间是可以预测的(这种情形称作“时间可预测模式”)(图1(b))[56]; 如果初始应力σ2不均匀但震后应力σ1均匀, 从而应力降(σ2−σ1)也不均匀, 那么只有地震的震级是可以预测的(这种情形称作“震级可预测模式”) (图1(c))[57].图1 在构造应力积累的速率保持恒定的情况下的地震预测模式(a) 时间与震级均可预测的模式; 构造应力积累的速率保持恒定、“初始应力”(震前应力)σ2和“最终应力”(震后应力)σ1都均匀, 从而应力降（σ2−σ1）也均匀、地震按严格的周期性重复地发生. (b) 时间可预测模式; 初始应力均匀但最终应力不均匀, 从而应力降不均匀、只有地震发生的时间是可以预测的. (c) 震级可预测模式; 初始应力不均匀但最终应力均匀, 从而应力降不均匀、只有地震的震级是可以预测的(据Shimazaki 和Nakata [57])1.2.2 “东海大地震”沿着日本西南海岸的南海海槽-相模海槽, 在过去的500多年间重复发生过多次震级M ~8的大地震, 包括1498, 1605, 1707, 1854和1944~1946年地震, 平均复发时间约为117年(图2). 在20世纪70年代初期, 一些日本地震学家指出, 1944~1946年间发生的几次大地震比1854和1707年的地震小. 他们认为, 1944~1946年地震的破裂并没有到达南海海槽的东北部叫做骏河(Suruga)海槽的地方. 于是他们推断在板块边界的这一地段、现在称为“东海大地震空区”的地方, 不久的将来将有可能发生一次震级M~8的地震. 这就是日本地震学家预报中的“东海大地震”[22,58~65]. 1978年6月, 日本政府通过了一个以地震预报为前提的、预防和减轻地震灾害为目的的大型地震对策法案, 称作“大规模地震对策特别措置法”, 从1978年12月14日开始实行. 该法案制定了很详细的应急反应计划以及发布短期预报的步骤, 其中最重要的一点是: 当监测前兆的网络观测到异常后, 由专家组成的专门委员会(原先称作“东海地震判定会”, 现在改称作“地震防灾对策强化地区判定委员会”)最迟不超过1个小时就得举行会议, 并且会议在至多30分钟内就得做出判定, 判定该异常是不是所预测的“东海大地图2 沿着日本西南海岸的南海海槽-相模海槽(在骏河海槽东北面, 图中未绘出)在过去的500多年间重复发生过的震级M~8的浅源大地震的破裂区沿着骏河海槽的东海地区即是日本地震学家预报中的“东海大地震”空区(据日本地震学会地震予知检讨会[22])陈运泰: 地震预测1638震”的前兆. 如果判定是“东海大地震”的前兆, 就应整理成“地震预报情况”材料经由气象厅长报告内阁总理大臣. 内阁总理大臣收到报告后, 要立即在内阁会议上发布“警戒宣言”, 并启动应急反应计划.自1978年到现在已过了31年, 迄今仍未检测到需要启动应急反应计划的异常, 一次也没有开过“判定委员会”紧急会议(不过, “判定委员会”还是每月召开一次例行的碰头会). 国际著名的专家、“判定委员会”主席、东京大学地震研究所原所长茂木清夫(Mogi K.)教授对该委员会能否履行其判定东海大地震短临前兆的功能表示怀疑, 并于1997年在地震预测饱受垢病的批评声中辞去该委员会主席职务, 黯然下台(令人欣慰的是, 与此形成强烈反差, 2003年在日本札幌举行的第23届国际地球物理与大地测量联合会(IUGG)大会上, 茂木清夫教授做了题为“地震预测”的大会报告后, 与会世界各国科学家报以热烈的长时间的掌声向这位地震预测的先驱者致以崇高的敬意). 然而, 继任的新主席溝上惠(Mizoue M.) 教授也持有类似观点. 日本文部省国土地理院于1997年公布了一个报告[66]; 报告说, 在日本目前还做不到像“大规模地震对策特别措置法”所要求的短期预报, 并且什么时间能做到也不得而知.东海大地震的预报实践表明, 即使对于像这样一种发生于板块边界的、看上去很有规律的历史地震序列, 准确的预报也是很困难的.1.2.3 帕克菲尔德地震帕克菲尔德地震的预测也是基于“地震空区”理论. 在美国西海岸圣安德列斯断层靠近帕克菲尔德(在1980年代时是一个居民仅37人的小镇)的一段断层上, 有仪器记录以来发生过3次震级M~6的地震, 即: 1922, 1934, 1966年帕克菲尔德地震(图3中序数为4, 5, 6的地震事件); 而在有仪器记录以前, 也发生过3次M~6的地震, 即: 1857, 1881和1901年帕克菲尔德地震(图3中序数为1, 2, 3的地震事件). 平均每22年便规则地发生一次帕克菲尔德地震. 帕克菲尔德平均22年便发生一次M~6的地震的规则性以及1934年与1966年的帕克菲尔德地震的前震活动性图像之间的相似性使得地震学家相信这些帕克菲尔德地震是以大约相同的滑动量、相隔大约22年在同一段断层的破裂. 由“同震位移”与断层滑动速率的比值求出的地震复发时间也是大约22年[34~36,67]. 根据这些资料以及其他有关资料, 美国地质调查局(United States Geological Survey, 缩写为USGS)在1984年发出正式的地震预报(据Shearer [68]), 明确指出在圣安德列斯(San Andreas)断层靠近帕克菲尔德的一段断层上, 在(1988±4.3)年(即最晚在1993年1月之前)将发生一次M~6的地震, 发震概率约为95%.到了1993年年底, 预报中的帕克菲尔德地震还没有发生. 美国地质调查局于是宣布“关闭”帕克菲尔德地震预报的“窗口”. 年复一年, “盼望”中的帕克菲尔德地震一直不来, 为此, 有的地震学家认为这次预报本身就是一种错误[69], 认为帕克菲尔德地震序列可能根本就不是特征地震, 而是一种随机发生的事件[55,70,71]. 一些地震学家则对帕克菲尔德地震迟迟未 发生提出了许多解释. 例如, 一种解释是: 1983年5月2日发生于加州科林佳(Coalinga)的M W 6.4地震可能缓解了帕克菲尔德地区的应力[72]. 另一种解释是: 1906年旧金山大地震后应力的松弛效应推迟了帕克菲尔德地震的发生[73].1.2.4 1989年洛马普列塔地震1989年10月18日美国加州洛马普列塔(Loma图3 帕克菲尔德地震的预测预测帕克菲尔德在(1988±4.3)年(即最晚在1993年1月之前)将发生一次M ~6地震. 图中序数1~6的圆圈表示历史上发生的6次帕克菲尔德地震, 问号表示所预测的帕克菲尔德地震, 灰色条带表示预报帕克菲尔德发生的时间窗(1983~1993). 帕克菲尔德M W 6.0地震(五角星)迟至2004年9月28日才发生, 比预报的时间晚了至少11年(据日本地震学会地震予知检讨会[22])。